Развязка по питанию: О развязке питания с примерами / Хабр

Содержание

О развязке питания с примерами / Хабр

Когда я участвовал в проведении конкурса 7400, я понял, что многим из представленных логических схем для надежной работы не хватает простейших защитных элементов. Одним из самых часто встречающихся недостатков конструкции было отсутствие блокировочных емкостей. Позже, прочитав статью о законе Мёрфи, я решил немного написать о развязке и блокировочных конденсаторах.

Как человек, которого можно назвать старожилом в области электроники, я познакомился с проблемой отсутствия развязки на собственном опыте. Свою первую высокоскоростную схему я собрал, будучи стажером в крупной фирме по производству электроники. Та схема, цифровой частотомер, была собрана на логике семейства 74Fxx и работала на частоте 11 МГц (по тем временам это считалось очень много). Это была плата размером 23 × 16 см (Double Eurocard), содержащая около 40 микросхем, соединенных монтажом накруткой (wire wrap). Когда пришло время ее включать, я увидел, что схема не работает, как надо, а выдает полную ерунду.

Проверив несколько раз сборку, я рассказал о проблеме своему руководителю, а он взглянул на плату и сказал: «Не хватает блокировочных конденсаторов. Поставь их на питание около каждой микросхемы, тогда и поговорим.» Совершенно растерянный, я сделал, как было сказано, и — о чудо! — все сразу заработало. Почему, казалось бы, ни на что не влияющая емкость заставила схему работать? Мой руководитель рассказал мне о бросках тока при переключении, об индуктивности проводников и о развязке. Я признаю, что прошло несколько лет, прежде чем я действительно понял, что он тогда говорил, но урок был усвоен: всегда ставить конденсаторы на питание цифровых микросхем.

Термины «блокировочный конденсатор» и «развязка» — не случайные слова, а имеют в данном контексте вполне определенное значение:
развязка — действие, направленное на (частичное) отделение цепей питания микросхемы от общего источника питания;
блокировочный конденсатор — конденсатор, установленный таким образом, что он шунтирует питание микросхемы и действует как местный источник питания.

Почему это всё так важно? Взгляните, например, сюда:


Рисунок 1. Отсутствие блокировочноых конденсаторов.

Разве это похоже на цифровой сигнал? Такую ерунду вы получите без блокировочных конденсаторов.

Пожалуйста, обратите внимание, что

тактовая частота не важна. Проблема заключается в восходящих и спадающих фронтах сигнала. Так, одни и те же соображения применимы для систем, работающих на частоте 1 Гц, 20 кГц или 50 МГц. Используемые частоты в примерах ниже выбраны такими, чтобы их было удобно наблюдать на осциллографе.

Следует отметить, что на высокой частоте сбой наступает быстрее, чем на низкой, за счет большего числа фронтов в единицу времени. Однако это не означает, что низкочастотные схемы будут работать надежно. Это далеко не так, они будут сбоить так же легко, согласно закону Мёрфи. Да, и кстати, вы подумали о ваших маленьких микроконтроллерах, работающих на частоте 16 МГц?

Чтобы увидеть, что происходит, нужно измерить токи, протекающие через схему. Вот простая экспериментальная установка, собранная для иллюстрации:


Рисунок 2. Подключение инвертора.

Рисунок 3. Измерительная схема.

Генератор импульсов подключен к инвертору 74HC04, нагруженному на емкость 10 пФ. Сигнал на выходе инвертора, TP1, показан на верхней осциллограмме. Источник питания подключен к выводам микросхемы 7 и 14. В разрыв земляного проводника включен токоизмерительный резистор 10 Ом.

Напряжение в точке TP2 пропорционально потребляемому микросхемой току и отображается на нижней осциллограмме. Блокировочный конденсатор может быть подключен или отключен при необходимости. Щупы осциллографа снабжены делителями 1:10, так что масштаб осциллограммы по вертикали нужно умножить на 10. Все неиспользуемые входы 74HC04 заземлены. Установка выглядит так:


Рисунок 4. Установка, собраннная на макетной плате.

Рисунок 5 показывает проблемы, возникающие на высоких и низких частотах. Картинки слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.


Рисунок 5. Выходное напряжение (верхний канал) и потребляемый ток (нижний канал).
Сверху — тактовая частота 330 кГц, снизу — 3,3 МГц.
Слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.

Некоторые наблюдения из рисунка 5:

  • Измеренный ток — это только ток через ногу GND и блокировочный конденсатор. Он не в точности соответствует току, потребляемому микросхемой. Сложно измерять ток через ноги Vcc и GND одновременно (ограничения, накладываемые конструкцией осциллографа. — Прим. перев.). Однако, измерение тока через вывод GND достаточно для иллюстративных целей.
  • При логической «1» на выходе наблюдается высокочастотный «звон». Его размах больше 2 В, и выбросы превосходят напряжение питания. Добавление блокировочного конденсатора снижает «звон» до практически несущественного уровня. Выброс все еще остается, но затухает гораздо быстрее
  • Фронтам сигнала соответствуют выбросы («иголки») потребляемого тока. Добавление блокировочного конденсатора уменьшает эти выбросы и делает их симметричными при восходящем и спадающем фронтах. Диапазон выбросов от -22 до +45 мА без блокировочного конденсатора и от -32 до +36 мА — с ним.
  • Симметричная форма тока при наличии блокировочного конденсатора говорит, что энергия запасается и извлекается обратно. Это очень важная особенность.
  • Остаточный ВЧ звон во многом зависит от положения щупа осциллографа (не показано), что говорит о том, что схема содержит паразитные LC-элементы и радиочастотные антенны. Расположение на плате и взаимное положение соединительных проводов оказывает значительное влияние на амплитуду и частоту колебаний. Эти помехи не могут быть полностью устранены, но их можно сильно уменьшить, правильно разведя печатную плату.

Взглянем на фронты сигнала поближе:


Рисунок 6. Фронты выходного напряжения (верхний канал) и потребляемого тока (нижний канал).
Сверху — задний (спадающий) фронт, снизу — передний (восходящий) фронт.
Слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.

Микросхема 74HC04 выполнена по технологии КМОП. Это означает, что статический потребляемый ток близок к нулю. Ток потребляется только при переключениях из «0» в «1» и из «1» в «0». При переключении все нагрузочные и паразитные емкости должны быть перезаряжены. Для экспериментальной схемы нагрузка имеет емкость 10 пФ. Сюда нужно добавить емкости выводов и паразитные емкости, которые составляют примерно 5+2 пФ. Щуп осциллографа имеет емкость 10 пФ, которую тоже нужно учесть. Таким образом, суммарная емкость нагрузки на выходе инвертора примерно 27 пФ.

Выходную емкость нужно зарядить от 0 до 5 В примерно за 4,3 нс. Приняв для простоты, что зарядный ток постоянный, оценим его величину:
Q = I · t = C · U
I = (5 · 27 · 10-12)/(4,3 · 10-9) = 31,4 мА

Это означает, что через выход инвертора при каждом переключении втекает или вытекает огромный

(по меркам КМОП. — Прим. перев.) ток. Откуда черпается энергия на это? Конечно, из источника питания. На рисунке 6 хорошо видно, что ток не возникает мгновенно, а нарастает до определенного уровня, а затем падает снова. Такое поведение явно указывает на наличие индуктивных элементов.

Лучше всего это видно на рисунке 6 справа, где ток достигает максимума в тот момент, когда выходное напряжение падает до нуля. Затем ток падает, вызывая провал выходного напряжения. Расчетный ток достаточно хорошо совпадает с измеренным, учитывая, что была проведена лишь простейшая оценка.

Еще раз внимательно взглянем на нижнюю половину рисунка 6. Слева выходное напряжение не доходит до 5 В в течение некоторого времени, а справа — достигает почти сразу. Без блокировочного конденсатора микросхеме не хватает мощности питания для формирования крутого фронта, и напряжение застревает на уровне 4 вольт. Блокировочный конденсатор выдает необходимую мгновенную мощность на некоторое время.

Блокировочный конденсатор примерно в 4000 раз больше, чем емкость нагрузки, значит, следует ожидать, что падение напряжения питания будет в 4000 раз ниже (чем размах выходного напряжения. —

Прим. перев.) — порядка 1-2 мВ.

При обратном переключении, из «1» в «0», как на рисунке 6 сверху, блокировочный конденсатор выступает в роли резервуара для принятия выделившейся энергии. Емкость нагрузки разряжается, и ток должен стечь на землю. Тем не менее, энергия не может быть мгновенно передана в источник питания, и блокировочный конденсатор будет временно хранить ее.

Основной источник питания не может обеспечить микросхему достаточной мощностью из-за индуктивности проводников. Каждый провод обладает паразитной индуктивностью, которая препятствует изменению тока. Из определения индуктивности:
U = L · dI / dt ⇒ dI = U · dt / L

Из этого уравнения видно, что изменение тока обратно пропорционально индуктивности. Иными словами, если возрастает индуктивность, становится труднее изменить ток за заданный промежуток времени, при прочих равных параметрах. Кроме того, изменение тока вызывает падение напряжения на индуктивности. Чем длиннее провод (или дорожка на плате) тем более высокую индуктивность он имеет, тем сильнее он сопротивляется быстрому изменению тока, и тем больше будет падение напряжения.

Блокировочный конденсатор является локальным накопителем энергии. Он всегда должен быть установлен как можно ближе к выводам питания микросхемы, чтобы свести к минимуму индуктивность проводников от конденсатора до микросхемы. Такая схема развязывает общие и локальные цепи питания.

Микросхема состоит из шести инверторов, поэтому схему можно изменить так, чтобы увеличить потребляемый ток:


Рисунок 7. Экспериментальная схема с дополнительной нагрузкой.


Рисунок 8. Выходное напряжение (верхний канал) и потребляемый ток (нижний канал) для схемы с дополнительной нагрузкой.
Сверху — тактовая частота 330 кГц, снизу — 3,3 МГц.
Слева — без блокировочного конденсатора, справа — с ним.

Обратите внимание на другой масштаб по оси Y для канала измерения тока, по сравнению с рисунками 5 и 6.

Ток через вывод GND теперь имеет выбросы около 70 мА при отсутствии блокировочного конденсатора. Если же последний установлен, снова наблюдаем симметричную форму выбросов амплитудой ±50 мА при восходящих и спадающих фронтах.

Обратите внимание, что фронт сигнала, как видно на рисунке 8 внизу слева, теперь гораздо более пологий. Микросхеме просто-напросто не хватает энергии для быстрого переключения. Установка блокировочного конденсатора (рисунок 8 справа) восстанавливает крутизну фронта до приемлемого уровня.


Рисунок 9. Фронты выходного напряжения (верхний канал) и потребляемого тока (нижний канал).
Слева — задний (спадающий) фронт, справа — передний (восходящий) фронт.
Блокировочный конденсатор установлен.

Подробное рассмотрение фронтов сигнала выявляет увеличенный по продолжительности выброс тока, что вызвано большими потребностями в энергии. Нагрузка микросхемы примерно в шесть раз выше, чем раньше (первый инвертор нагружен на входные емкости остальных инверторов, которые составляют 5 раз по 5 пФ).

Это был лишь простой пример — микросхема из шести инверторов. А теперь экстраполируйте вышесказанное на сложную логическую схему, содержащую множество элементов и множество внутренних соединений. В ней очень много паразитных емкостей, которые должны перезаряжаться при каждом изменении входных сигналов. Наконец, представьте себе микроконтроллер, состоящий из многих тысяч вентилей.

Изложенные выше объяснения и иллюстрации должны дать ясное понимание того, что блокировочный конденсатор — важный элемент, выполняющий свою специальную функцию. Он запасает энергию источника питания локально, выдает её при необходимости, а также принимает избытки энергии.

Локальное хранилище энергии постоянно пополняется из основного источника питания через проводник Vcc. В то же время, избыточная энергия должна быть сброшена в источник питания через проводник GND. Сброс энергии в блокировочный конденсатор повышает напряжение на нем, и, по сути, кратковременно создает на схеме локальную область с другим потенциалом. Устранение этого дисбаланса является очень важным и осуществляется при помощи заземления. (Здесь под заземлением понимается не подключение к массе нашей планеты, а соединение с общим проводом источника питания. — Прим. перев.)

Печатные платы часто имеют отдельные заземленные слои, которые очень эффективны для соединения элементов с общим проводником источника питания. Хорошо проработанная разводка земли имеет первостепенное значение для сброса избыточной энергии. Но будьте осторожны, в сплошном заземленном слое могут возникать вихревые токи, а многочисленные связи с общим проводом — образовывать т.н. земляные петли.

Всегда будет хорошей идеей обратиться к знакомому разработчику со стажем. Большинство ошибок уже было кем-либо допушено раньше, и нет никакой необходимости повторять их до бесконечности.

Разводка питания и развязка по питанию для печатных плат

Хорошие способы развязки позволяют сократить количество развязывающих конденсаторов.
Главным является правильный выбор конденсаторов и грамотная разводка.

1. ТОКИ ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ ЛОГИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ

Не секрет, что при смене логических состояний у большинства цифровых устройств возникает большой бросок тока, который следует сразу за фронтом тактового сигнала (рис. 1).

Например, схеме, работающей на частоте 100 МГц и потребляющей в среднем около 4 А, реально может потребоваться 20 А тока в течение первых нескольких наносекунд тактовой последовательности. (Причина возникновения больших токов при смене логических состояний рассмотрена в статье Б. Картера "Техника разводки печатных плат")
Очевидно, что питание этой схемы от 20-амперного источника увеличит размеры и стоимость изделия. Менее очевидно, что паразитные последовательные индуктивности соединительных проводов, проводников печатной платы и выводов компонентов могут сделать невозможным быструю ответную реакцию мощного источника питания на мгновенные изменения тока. С другой стороны, недостаточная нагрузочная способность источника будет приводить к возникновению нестабильных падений напряжений на шинах питания и земли. Это явление обычно проявляется как высокочастотный шум.

2. ПРИМЕНЕНИЕ КОНДЕНСАТОРОВ В КАЧЕСТВЕ ЭЛЕМЕНТОВ РАЗВЯЗКИ ПИТАНИЯ
 
Применение развязывающих конденсаторов позволяет распределить рабочий ток между потребителями, используя низкоимпедансные (т.е. низкоиндуктивные для токов ВЧ) пути прохождения тока. Практически это означает, что развязывающие конденсаторы непосредственно обслуживают цифровые компоненты, в то время как источник питания занимается их перезарядом. Ключом к созданию работоспособной и удачной схемы развязки является правильный выбор применяемых конденсаторов и правильная разводка цепей их подключения.

Использование конденсаторов в качестве элементов развязки требует понимания основ их работы. На рисунке 2а показан идеальный конденсатор - емкость для накопления и хранения заряда и для освобождения от него. На рисунке 3 приведена частотная зависимость импеданса идеального конденсатора - монотонное уменьшение значения при увеличении частоты. Поскольку основной шум цифровых систем является высокочастотным шумом (>50 МГц), уменьшение импеданса на высоких частотах хорошо соответствует задаче развязки цепей питания.

К сожалению, поведение реального конденсатора не такое простое; его модель показана на рисунке 2б. Физическое устройство реального конденсатора включает в себя эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентную последовательную индуктивность (ESL). К тому же, реальный конденсатор обладает сопротивлением утечки. Сумма этих паразитных эффектов приводит к изменению характера частотной зависимости импеданса (рис. 3).

Низшая точка импедансной зависимости известна как частота собственного резонанса. Разработчики часто пытаются подобрать конденсаторы с собственной резонансной частотой, находящейся близко от рабочей частоты системы. Однако, параметры реальных конденсаторов делают этот подбор нецелесообразным при тактовой частоте, превышающей 100 МГц. Важное правило, которое следует помнить: развязывающие конденсаторы допустимо использовать на частотах более низких, чем частота их собственного резонанса, до тех пор, пока их импеданс на этих частотах остается достаточно низким.

Падение напряжения на эквивалентном последовательном сопротивлении конденсатора пропорционально протекающему через него току. Поскольку важным является поддержание питающего напряжения стабильным, желательным является использование в цепях развязки конденсаторов с малым ESR (т.е. с меньшим, чем 200 мОм). Эквивалентная последовательная индуктивность определяет скорость реагирования конденсатора на изменения тока - конденсаторы с более низким значением ESL будут реагировать более быстро на изменения протекающего тока, что очень важно для цепей высокочастотной развязки. Несмотря на то, что, как параметр ESR более широко описан и изучен, ESL, наверное, более важен. Все конденсаторы для поверхностного монтажа, приведенные в таблице 1, обладают достаточно низкими значениями ESL. 

Эквивалентное сопротивление и индуктивность конденсаторов
Типоразмер ESL min (нГн) ESL max (нГн)
0402 0,54 1,90
0603 0,54 1,95
0805 0,70 1,94
1206 1,37 2,26
1210 0,61 1,55
1812 0,91 2,25
с радиальными выводами 6,0 15,0
с осевыми выводами 12,0 20,0

Конденсаторы с материалом типа I в качестве диэлектрика не ухудшают свои характеристики от времени и воздействия температуры, но малое значение диэлектрической постоянной делает их использование в качестве компонентов развязки неэффективным. Конденсаторы с материалом II типа (т.е. X7R) являются более хорошим выбором из-за хорошей долговременной стабильности (10% потерь в течение 10 лет), температурных характеристик и высокого значения диэлектрической постоянной. Материал типа III обладает наивысшим значением диэлектрической постоянной и плохими температурными показателями (от 50 до 75% потерь при работе на предельных температурах) и плохой долговременной стабильностью (20% потерь в течение 10 лет). Среди популярных диэлектриков многослойная керамика и синтетика обладают небольшими эквивалентными последовательными индуктивностью и сопротивлением. Керамические конденсаторы более легко доставаемы. Танталовые конденсаторы часто используются как общие элементы развязки по низкой частоте, однако они не подходят для локальной развязки.

В таблице 1 показаны типичные значения ESL для различных типов корпусов конденсаторов. Типоразмер является определяющим элементом эквивалентной последовательной индуктивности - обычно конденсатор меньшего размера обладает меньшим значением ESL при таком же значении емкости. Конденсаторы с большими значениями ESL не годятся для использования в качестве элементов развязки.

В общем случае, правильной стратегией является поиск конденсатора с наибольшей емкостью при наименьших габаритных размерах (это верно лишь с точки зрения ESL, но не всегда правильно с точки зрения другого важнейшего параметра конденсаторов - диэлектрической абсорбции - прим. переводчика). Однако при таком выборе необходимо быть внимательным. Высота корпуса конденсатора в достаточно значительной мере оказывает влияние на ESL. Для перекрывающихся диапазонов ESL в таблице 1 возможен выбор корпуса с меньшим посадочным местом на печатной плате. Однако значение ESL может оказаться большим. Поэтому при выборе типа конденсатора необходимо руководствоваться параметрами производителя для определения лучшего компромиссного варианта.
 
3. ИНДУКТИВНОСТЬ ПРОВОДНИКА
 
При разводке компонентов и цепей основным препятствием хорошей развязки является индуктивность. С весьма грубыми приближениями можно считать, что индуктивность трассы с волновым сопротивлением 50 Ом на материале FR-4 будет составлять около 9 пГн на каждые 0,025 мм длины. Индуктивность одиночного переходного отверстия примерно равняется 500 пГн и зависит от геометрической конфигурации.

Индуктивность пропорциональна длине, поэтому важно минимизировать длину проводника между выводами компонента и развязывающего конденсатора. Индуктивность обратно пропорциональна ширине трассы, поэтому широкие проводники более предпочтительны, чем узкие.
Помните, что путь тока всегда представляет собой петлю, и эта петля должна быть минимизирована. Уменьшение расстояния между выводом питания компонента и выводом конденсатора может и не уменьшить общую индуктивность. Как правильно расположить конденсатор? Ближе к выводу питания компонента? Или ближе к выводу земли? Или посередине между этими выводами? Некоторые источники рекомендуют располагать конденсатор вблизи от вывода, наиболее удаленного от полигона питания или земли.

4. ВАРИАНТЫ РАЗВОДКИ КОНДЕНСАТОРОВ РАЗВЯЗКИ
 
Хорошая разводка чрезвычайно важна для эффективной работы цепей развязки. Как видно из таблицы 1, конденсаторы со значением эффективной последовательной индуктивности менее 1 нГн вполне доступны. Добавление всего лишь 2 нГн утроит значение ESL конденсатора. Рисунок 4 демонстрирует изменение частоты собственного резонанса и увеличение интегрального реактивного сопротивления при добавлении индуктивности проводника в 2 нГн к собственной индуктивности (0,8 нГн) конденсатора емкостью 4,7 нФ.

На рисунке 5 показано несколько методов размещения и подключения конденсатора развязки. Для упрощения на схемах показаны лишь выводы конденсатора и вывод питания активного компонента. Соединению между выводом конденсатора и общим выводом питания компонента также должно быть уделено значительное внимание.

На рисунке 5A показана наиболее часто встречающаяся конфигурация разводки. Вывод питания компонента подключен коротким проводником к шине питания во внутреннем слое через переходное отверстие. Конденсатор развязки, расположенный на другой стороне платы, подключен к этому же переходному отверстию. Несмотря на то, что такой подход часто обусловливается простотой разводки, он позволяет эффективно работать цепям развязки и экономит пространство разводки. Два одиночных отверстия добавят в цепь развязки около 1 нГн паразитной индуктивности.

Если конденсатор расположен на расстоянии 50 мил (1,27 мм) от вывода компонента, то добавляемая индуктивность в лучшем случае составит около 0,9 нГн. При более удаленном размещении конденсатора от активного компонента проводники будут более длинными, а паразитная индуктивность будет иметь большее значение.
 
Вариант B представляет собой значительное улучшение варианта A с размещением конденсатора развязки и активного компонента на одной стороне печатной платы. Конденсатор подключен после паразитной индуктивности переходного отверстия. При достаточно коротких проводниках схема развязки вносит дополнительно менее 1 нГн паразитной индуктивности.

Вариант D представляет собой развитие варианта A - для уменьшения собственной индуктивности и увеличения распределенной емкости проводники сделаны шире, что также улучшает характеристики цепи развязки.

Вариант E - модификация варианта B с более широкими проводниками и более хорошими характеристиками.

На первый взгляд кажется, что вариант C совершенно не подходит для разводки цепей развязки, поскольку нет проводников, напрямую подключающих активный компонент к конденсатору развязки; фактически они оба подключены через отверстия к полигонам питания и земли, которые расположены во внутренних слоях. При четырех отверстиях к цепям развязки добавится минимум 2 нГн паразитной индуктивности. Однако очень широкие проводники питания и земли практически не будут добавлять индуктивности при не очень большой длине. Такой вариант разводки пригоден, когда конденсатор развязки не может быть размещен достаточно близко к активному компоненту.

Вариант F - улучшение варианта C добавлением дополнительных параллельных отверстий. Такое добавление приводит к уменьшению паразитной индуктивности переходных отверстий в два раза, позволяет улучшить качественные характеристики схемы и должно использоваться всякий раз, когда позволяет место.

5. ПРИМЕНЕНИЕ СОСТАВНЫХ КОНДЕНСАТОРОВ
 
Поскольку емкости при параллельном соединении суммируются, а результирующая индуктивность уменьшается, то параллельное соединение двух небольших конденсаторов с одинаковыми значениями емкости может привести к качественному выигрышу, по сравнению с применением одного большого конденсатора. Конечным результатом будет такая же емкость развязки и меньшая паразитная эквивалентная последовательная индуктивность.

На практике обычно избегают использования конденсаторов с разными значениями емкостей для создания локальной развязки. Составные конденсаторы с разными емкостями обладают частотной зависимостью импеданса, складывающейся из частотных зависимостей импедансов отдельных конденсаторов. Пример показан на рисунке 6.

Конденсатор емкостью 47 нФ используется для развязки низких частот, а конденсатор емкостью 150 пФ - для высоких. На первый взгляд, можно предположить, что параллельное соединение этих конденсаторов позволит улучшить импедансную характеристику.

К сожалению, это не так. Такое соединение может породить существенные проблемы на частотах, находящихся между собственными резонансными частотами конденсаторов. На рисунке 7 видно, что комбинация двух конденсаторов создает антирезонансный пик (а, следовательно, повышенное сопротивление) на суммарной частотной характеристике.

Источник данной проблемы легко определяется при рассмотрении эквивалентной схемы, показанной на рисунке 8. Результатом соединения паразитных компонентов конденсаторов является классический резонансный контур.

Тем не менее, составные конденсаторы, используемые в качестве элементов развязки, достаточно широко используются в прецизионных схемах. В этом случае к выбору конденсаторов необходимо подходить с большой тщательностью, моделируя схемы, включающие все паразитные компоненты.
 

Joe Thompson
Decoupling Strategies for PCBs
PCD&M, October 2003

Благодарим сайт elart.narod.ru за предоставленный перевод

Подробнее

Выполнение профессиональной разводки печатных плат в Москве и Санкт-Петербурге.

Гальваническая развязка. Кто, если не оптрон? / Хабр


Есть в электронике такое понятие как гальваническая развязка. Её классическое определение — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Если вы новичок, то эта формулировка покажется очень общей и даже загадочной. Если же вы имеете инженерный опыт или просто хорошо помните физику, то скорее всего уже подумали про трансформаторы и оптроны.

Статья под катом посвящена различным способам гальванической развязки цифровых сигналов. Расскажем зачем оно вообще нужно и как производители реализуют изоляционный барьер «внутри» современных микросхем.

Речь, как уже сказано, пойдет о изоляции цифровых сигналов. Далее по тексту под гальванической развязкой будем понимать передачу информационного сигнала между двумя независимыми электрическими цепями.

Зачем оно нужно

Существует три основные задачи, которые решаются развязкой цифрового сигнала.

Первой приходит в голову защита от высоких напряжений. Действительно, обеспечение гальванической развязки — это требование, которое предъявляет техника безопасности к большинству электроприборов.

Пусть микроконтроллер, который имеет, естественно, небольшое напряжение питания, задает управляющие сигналы для силового транзистора или другого устройства высокого напряжения. Это более чем распространенная задача. Если между драйвером, который увеличивает управляющий сигнал по мощности и напряжению, и управляющим устройством не окажется изоляции, то микроконтроллер рискует попросту сгореть. К тому же, с цепями управления как правило связаны устройства ввода-вывода, а значит и человек, нажимающий кнопку «включить», легко может замкнуть цепь и получить удар в несколько сотен вольт.

Итак, гальваническая развязка сигнала служит для защиты человека и техники.

Не менее популярным является использование микросхем с изоляционным барьером для сопряжения электрических цепей с разными напряжениями питания. Тут всё просто: «электрической связи» между цепями нет, поэтому сигнал логические уровни информационного сигнала на входе и выходе микросхемы будут соответствовать питанию на «входной» и «выходной» цепях соответственно.

Гальваническая развязка также используется для повышения помехоустойчивости систем. Одним из основных источников помех в радиоэлектронной аппаратуре является так называемый общий провод, часто это корпус устройства. При передаче информации без гальванической развязки общий провод обеспечивает необходимый для передачи информационного сигнала общий потенциал передатчика и приемника. Поскольку обычно общий провод служит одним из полюсов питания, подключение к нему разных электронных устройств, в особенности силовых, приводит к возникновению кратковременных импульсных помех. Они исключаются при замене «электрического соединения» на соединение через изоляционный барьер.

Как оно работает

Традиционно гальваническая развязка строится на двух элементах — трансформаторах и оптронах. Если опустить детали, то первые применяются для аналоговых сигналов, а вторые — для цифровых. Мы рассматриваем только второй случай, поэтому имеет смысл напомнить читателю о том кто такой оптрон.

Для передачи сигнала без электрического контакта используется пара из излучателя света (чаще всего светодиод) и фотодетектора. Электрический сигнал на входе преобразуется в «световые импульсы», проходит через светопропускающий слой, принимается фотодетектором и обратно преобразуется в электрический сигнал.

Оптронная развязка заслужила огромную популярность и несколько десятилетий являлась единственной технологией развязки цифровых сигналов. Однако, с развитием полупроводниковой промышленности, с интеграцией всего и вся, появились микросхемы, реализующие изоляционный барьер за счет других, более современных технологий.

Цифровые изоляторы — это микросхемы, обеспечивающие один или несколько изолированных каналов, каждый из которых «обгоняет» оптрон по скорости и точности передачи сигнала, по уровню устойчивости к помехам и, чаще всего, по стоимости в пересчете на канал.

Изоляционный барьер цифровых изоляторов изготавливается по различным технологиям. Небезызвестная компания Analog Devices в цифровых изоляторах ADUM в качестве барьера использует импульсный трансформатор. Внутри корпуса микросхемы расположено два кристалла и, выполненный отдельно на полиимидной пленке, импульсный трансформатор. Кристалл-передатчик по фронту информационного сигнала формирует два коротких импульса, а по спаду информационного сигнала — один импульс. Импульсный трансформатор позволяет с небольшой задержкой получить на кристалле-передатчике импульсы по которым выполняется обратное преобразование.

Описанная технология успешно применяется при реализации гальванической развязки, во многом превосходит оптроны, однако имеет ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами.

Гораздо более высокий уровень устойчивости к помехам обеспечивается в микросхемах, где изоляционный барьер реализуется на емкостях. Использование конденсаторов позволяет исключить связь по постоянному току между приемником и передатчиком, что в сигнальных цепях эквивалентно гальванической развязке.


Если последнее предложение вас взбудоражило..Если вы почувствовали жгучее желание закричать что гальванической развязки на конденсаторах быть не может, то рекомендую посетить треды вроде этого. Когда ваша ярость утихнет, обратите внимание что все эти споры датируются 2006 годом. Туда, как и в 2007, мы, как известно, не вернемся. А изоляторы с емкостным барьером давно производятся, используются и отлично работают.

Преимущества емкостной развязки заключаются в высокой энергетической эффективности, малых габаритах и устойчивости к внешним магнитным полям. Это позволяет создавать недорогие интегральные изоляторы с высокими показателями надежности. Они выпускаются двумя компаниями — Texas Instruments и Silicon Labs. Эти фирмы используют различные технологии создания канала, однако в обоих случаях в качестве диэлектрика используется диоксид кремния. Этот материал имеет высокую электрическую прочность и уже несколько десятилетий используется при производстве микросхем. Как следствие, SiO2 легко интегрируется в кристалл, причем для обеспечения напряжения изоляции величиной в несколько киловольт достаточно слоя диэлектрика толщиной в несколько микрометров.

На одном (у Texas Instruments) или на обоих (у Silicon Labs) кристаллах, которые находятся в корпусе цифрового изолятора, расположены площадки-конденсаторы. Кристаллы соединяются через эти площадки, таким образом информационный сигнал проходит от приемника к передатчику через изоляционный барьер.

Хотя Texas Instruments и Silicon Labs используют очень похожие технологии интеграции емкостного барьера на кристалл, они используют совершенно разные принципы передачи информационного сигнала.

Каждый изолированный канал у Texas Instruments представляет собой относительно сложную схему.

Рассмотрим её «нижнюю половину». Информационный сигнал подается на RC-цепочки, с которых снимаются короткие импульсы по фронту и спаду входного сигнала, по этим импульсам сигнал восстанавливается. Такой способ прохождения емкостного барьера не подходит для медленноменяющихся (низкочастотных) сигналов. Производитель решает эту проблему дублированием каналов — «нижняя половина» схемы является высокочастотным каналом и предназначается для сигналов от 100 Кбит/сек.

Сигналы с частотой ниже 100 Кбит/сек обрабатываются на «верхней половине» схемы. Входной сигнал подвергается предварительной ШИМ-модуляции с большой тактовой частотой, модулированный сигнал подается на изоляционный барьер, по импульсам с RC-цепочек сигнал восстанавливается и в дальнейшем демодулируется.
Схема принятия решения на выходе изолированного канала «решает» с какой «половины» следует подавать сигнал на выход микросхемы.

Как видно на схеме канала изолятора Texas Instruments, и в низкочастотном, и в высокочастотном каналах используется дифференциальная передача сигнала. Напомню читателю её суть.

Дифференциальная передача — это простой и действенный способ защиты от синфазных помех. Входной сигнал на стороне передатчика «разделяется» на два инверсных друг-другу сигнала V+ и V-, на которые синфазные помехи разной природы влияют одинаково. Приемник осуществляет вычитание сигналов и в результате помеха Vсп исключается.

Дифференциальная передача также используется в цифровых изоляторах от Silicon Labs. Эти микросхемы имеют более простую и надежную структуру. Для прохождения через емкостный барьер входной сигнал подвергается высокочастотной OOK (On-Off Keying) модуляции. Другими словами, «единица» информационного сигнала кодируется наличием высокочастотного сигнала, а «ноль» — отсутствием высокочастотного сигнала. Модулированный сигнал проходит без искажений через пару емкостей и восстанавливается на стороне передатчика.

Цифровые изоляторы Silicon Labs превосходят микросхемы ADUM-ы по большинству ключевых характеристик. Микросхемы от TI обеспечивают примерно такое же качество работы как Silicon Labs, но в отдельных случаях уступают в точности передачи сигнала.

Где оно работает

Хочется добавить пару слов о том в каких микросхемах используется изоляционный барьер.
Первыми стоит назвать цифровые изоляторы. Они представляют собой несколько изолированных цифровых каналов, объединенных в одном корпусе. Выпускаются микросхемы с различной конфигурацией входных и выходных однонаправленных каналов, изоляторы с двунаправленными каналами (используются для развязки шинных интерфейсов), изоляторы со встроенным DC/DC-контроллером для изоляции питания.Ещё больше картинокМикросхема серии Si86xx — цифровой изолятор с четырьмя прямыми и двумя обратными каналами

Микросхема серии Si860x — цифровой изолятор с двумя двунаправленными и двумя однонаправленными каналами

Микросхема серии Si88xx — цифровой изолятор с двумя каналами и встроенным DC/DC-контроллером


Кроме цифровых изоляторов выпускаются изолированные драйверы силовых транзисторов, в том числе на посадочное место оптодрайверов, усилители токового шунта, гальваноразвязанные АЦП и др.
Ещё больше картинокМикросхема серии Si823x — изолированный драйвер верхнего и нижнего ключа

Микросхема серии Si8261 — изолированный драйвер с эмулятором светодиода на входе

Микросхема серии Si8920 — изолированный усилитель токового шунта

Микросхема серии Si890x — изолированный АЦП

Чистое питание для каждой микросхемы, часть 1: Понятие конденсаторов развязки

Добавлено 27 сентября 2018 в 15:50

Сохранить или поделиться

Полное понимание конденсаторов развязки (блокировочных конденсаторов) поможет вам правильно включать эти критически важные компоненты в ваши проекты.

Конденсаторы, конденсаторы везде

Не исключено, что увлеченный, успешный инженерный студент закончил колледж, почти ничего не узнав об одном из самых распространенных и важных компонентов, которые можно найти в реальных схемах: о блокировочном конденсаторе (конденсаторе развязки). Даже опытные инженеры могут не совсем понимать, почему они включают керамические конденсаторы на 0,1 мкФ рядом с каждым выводом питания каждой микросхемы на каждой печатной плате, которую они проектируют. В данной статье содержится информация, которая поможет вам понять, почему необходимы блокировочные конденсаторы, и как они улучшают производительность схемы, а следующая статья будет посвящена деталям, связанным с выбором конденсаторов развязки и методам компоновки печатных плат, которые максимизируют их эффективность.

Опасности переходного тока

Любой компонент, в котором выходные сигналы быстро переходят из одного состояния в другое, будет генерировать переходные токи. Когда эти переходные токи тянутся непосредственно от источника питания, в результате импеданса источника питания, а также паразитной индуктивности, связанной с проводами и проводниками на печатной плате, создаются переходные напряжения. Этот эффект становится всё более проблематичным, когда компонент должен управлять низкоомной или высокоемкостной нагрузкой: низкоомные нагрузки создают высокие амплитуды переходных процессов, а высокоемкостные нагрузки могут приводить к звону или даже значительным колебаниям в линии питания. Конечным результатом может быть что угодно: от неоптимальной производительности схемы до отказа системы.

Давайте кратко рассмотрим эту проблему переходного тока, используя очень простое моделирование.

Схема моделированияСхема моделированияВременные диаграммы входного и выходного напряжений и тока источника питанияВременные диаграммы входного и выходного напряжений и тока источника питания

Эта схема – это известный CMOS инвертор, что подтверждается связью между входным и выходным напряжениями. Хотя чрезвычайно умная конструкция этого инвертора не требует стабильного напряжения, нам нужно помнить, что значительный переходной ток протекает, когда входное напряжение проходит через область, в которой оба транзистора проводят ток. Этот ток создает помехи для напряжения питания инвертора, соответствующие падению напряжения на сопротивлении источника (в этом моделировании используется 2 Ом, примерно столько можно ожидать от внутреннего сопротивления батареи 9 вольт).

Пульсации напряжения питанияПульсации напряжения питания

Верно, что величина этих пульсаций будет очень мала, но помните, что интегральная микросхема может содержать сотни или тысячи или миллионы инверторов. Без надлежащей развязки кумулятивный эффект всех этих переходных токов привел бы к всерьез шумному (если к не катастрофически неустойчивому) источнику напряжения. Эксперименты, выполненные инженерами Texas Instruments, показали, что неправильно развязанная линия питания микросхемы, производящей коммутации на частоте 33 МГц, привела к тому, что амплитуда пульсаций достигала бы 2 вольт пик-пик на шине питания 5 вольт!

На следующем графике показано напряжение питания, когда схема симуляции расширяется, составляя теперь 8 инверторов, и включает паразитную индуктивность 1 нГн последовательно с внутренним сопротивлением источника.

Пульсации напряжения питания при восьми инверторах в схеме и паразитной индуктивности 1 нГн последовательно с сопротивлением источникаПульсации напряжения питания при восьми инверторах в схеме и паразитной индуктивности 1 нГн последовательно с сопротивлением источника

Величина переходных процессов увеличилась до почти 0,5 мВ, и оба возмущения проявляют некоторое колебательное поведение.

Пульсации напряжения питания при большем масштабе по оси времениПульсации напряжения питания при большем масштабе по оси времени

Цифровые схемы, безусловно, имеют особую склонность к снижению качества электропитания, но аналоговые микросхемы также нуждаются в развязке, чтобы компенсировать быстрые переходные процессы на выходе и защитить их от шума источника питания, создаваемого другими устройствами. Например, коэффициент подавления пульсаций напряжения питания операционного усилителя (ОУ) уменьшается по мере того, как шум источника питания увеличивается по частоте; это означает, что операционный усилитель с некорректной развязкой может создавать высокочастотные возмущения на линии питания, которые распространяются на собственный выходной сигнал ОУ.

Решение

Удобно, что такая серьезная проблема может быть эффективно разрешена с помощью простого, широкодоступного компонента. Но почему конденсатор? Простое объяснение заключается в следующем: конденсатор хранит заряд, который может быть подан на микросхемы через очень низкое последовательное сопротивление и очень низкую последовательную индуктивность. Таким образом, переходные токи могут подаваться от блокировочного конденсатора (через минимальные сопротивление и индуктивность). Чтобы лучше понять это, нам нужно рассмотреть некоторые базовые понятия, связанные с тем, как конденсатор влияет на схему.

Во-первых, короткая заметка о терминологии. Компоненты, обсуждаемые в данной статье, регулярно упоминаются и как «блокировочные конденсаторы», и как «конденсаторы развязки». Здесь есть тонкое различие: «развязка» относится к уменьшению степени, в которой одна часть схемы влияет на другую, а «блокирование» относится к обеспечению низкоимпедансного пути, который позволяет шуму «обходить» микросхему на своем пути к узлу земли. Оба термина могут быть правильно использоваться, поскольку блокировочный конденсатор / конденсатор развязки выполняет обе задачи. Однако в этой статье предпочтение отдается термину «блокировочный конденсатор», чтобы избежать путаницы с последовательным конденсатором развязки, используемым для блокирования постоянной составляющей сигнала.

Заряд и разряд

Основной эффект конденсатора заключается в хранении заряда и освобождении заряда таким образом, что он противостоит изменениям напряжения. Если напряжение внезапно уменьшается, конденсатор подает ток со своих заряженных пластин в попытке сохранить предыдущее напряжение. Если напряжение внезапно увеличивается, пластины конденсаторы сохраняют заряд от тока, созданного повышенным напряжением. Следующая симуляция может помочь вам визуализировать этот процесс.

Схема моделированияСхема моделированияВременная диаграмма сглаживания конденсатором изменений напряженияВременная диаграмма сглаживания конденсатором изменений напряжения

Обратите внимание, что ток является положительным (т.е. протекает от источника через R1 к C1), когда конденсатор заряжается, и отрицательным (т.е. протекает от C1 через R1 к источнику), когда конденсатор разряжается.

Это фундаментальное поведение заряда и разряда не меняется в зависимости от того, подвергается ли конденсатор воздействию низкочастотных или высокочастотных сигналов. Однако при обсуждении обхода источника питания полезно проанализировать влияние конденсатора двумя разными способами: один для низкочастотных случаев и один для высокочастотных случаев. В контексте низких частот или постоянного тока блокировочный конденсатор противостоит изменениям на линии напряжения путем заряда и разряда. Конденсатор функционирует как низкоомная батарея, которая может обеспечивать небольшую величину переходного тока. В контексте высоких частот конденсатор представляет собой низкоомный путь к земле, который защищает микросхему от высокочастотного шума на линии питания.

Стандартный подход

Приведенный выше анализ помогает понять классическую схему блокировки: конденсатор емкостью 10 мкФ находится в двух-пяти сантиметрах от микросхемы, а керамический конденсатор 0,1 мкФ находится как можно ближе к питающему выводу микросхемы.

Классическая схема блокировки пульсаций напряжения питанияКлассическая схема блокировки пульсаций напряжения питания

Больший конденсатор сглаживает низкочастотные колебания напряжения питания, а меньший конденсатор более эффективно фильтрует высокочастотный шум на линии питания.

Если мы включим эти блокировочные конденсаторы в схему моделирования с 8-ю инверторами, рассмотренную выше, звон будет устранен, а величина возмущений напряжения будет уменьшена с 1 мВ до 20 мкВ.

Временная диаграмма напряжения питания после добавления блокировочных конденсаторовВременная диаграмма напряжения питания после добавления блокировочных конденсаторов

Идеал и реальность

На этом этапе вам может стать интересно, зачем нам нужен конденсатор 0,1 мкФ в дополнение к конденсатору 10 мкФ. В чем разница между 10 мкФ и 10,1 мкФ? В этом месте обсуждение блокировочных конденсаторов усложняется. Эффективность конкретной схемы блокировки тесно связана с двумя неидеальными характеристиками выбранных конденсаторов: эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и эквивалентная последовательная индуктивность (ESL). В рассмотренном моделировании параллельные конденсаторы 10 мкФ и 0,1 мкФ являются идеальными и дают в результате не более чем идеальный конденсатор 10,1 мкФ. Чтобы сделать симуляцию более близкой к реальности, нам нужно включить обоснованные значения ESR и ESL. После этой модификации мы получим следующее.

Результаты моделирования после включения ESR и ESL конденсаторовРезультаты моделирования после включения ESR и ESL конденсаторов

Несмотря на то, что это по-прежнему лучше, чем без использования блокировочных конденсаторов, эти результаты значительно хуже, чем мы видели с идеальными конденсаторами.

Эта простая симуляция не может учесть всех паразитных импедансов и других скрытых влияний, присутствующих в реальных микросхемах на реальных печатных платах (особенно те, что включают высокочастотные цифровые сигналы). Дело в том, чтобы продемонстрировать здесь, что проектирование цепи блокировки предполагает тщательное рассмотрение ESR и ESL конденсатора. Не менее важными являются и правильное размещение компонентов, и методы компоновки печатной платы. Все эти подробности мы рассмотрим в следующей статье.

Оригинал статьи:

Теги

Блокировочный конденсаторКонденсаторРазвязкаТипы конденсаторовЦелостность сигналов и питанияШумШум системы

Сохранить или поделиться

РадиоКот :: Трактат о развязке.

РадиоКот >Статьи >

Трактат о развязке.

Вам, когда-нибудь, в процессе сборки много-модульного устройства приходило ощущение того, что что-то вы забыли при проектировании? Я думаю, что бывало. Вот и у меня, во время совместной с моим знакомым преподавателем (ах как эта фраза звучит из уст студента) разработки 3-х фазного компенсационного выпрямителя, возникло такое ощущение. К вашему сожалению, я не могу рассказать об устройстве данного компенсатора, однако поясню - он состоит из 7 датчиков и схемы их контроля с 8 силовыми ключами на выходе. Неплохо так, да? В качестве силовых элементов, для тестового образца, из того что было под рукой, я разработал драйверно-транзисторные модули(ДТМ) с драйвером UCC37324 и силовым IGBT STGW30NC60W.
Итак, лаборатория, преподаватель, студент, "мозговой штурм" по поводу сборки и наладки устройства. И в самый разгар я задаю грандиозный вопрос "А развязка где?". Развязка по управлению транзисторов и по питанию их драйверов.... В некоторых точках разность потенциалов, не считая выбросов, достигнет 400В! Каждому драйверу из 8 нужен сигнал и 12В питания на 3-4Вт. Правда, максимальная частота переключения двух транзисторов в системе 150Гц (все остальные - 50Гц) - можно пойти довольно легкими путями.

Развязка сигналов:
Развязку сигналов решено было реализовать оптопарой (выпаянные из дохлых БП оптопары не пропали даром) по следующей схеме:

Печатная плата в моем случае была специально разведена так чтобы ее можно быть напаять на контакты ДТМ.

Оптика пойдет абсолютно любая, даже с выведенной наружу базой (притянув ее резистором к плюсу питания). Оптика, выпаянная из компьютерного БП подошла идеально.
Развязка питания:
Конечно, можно было поступить более оригинально и запитать драйвера от самого сигнала через GDT вот таким вот образом:

Как видно из схемы, здесь сразу обеспечивается и развязка и питание. Однако у данной схемы есть существенный недостаток -напряжение, подаваемое на драйвер, сильно зависит от заполнения сигнала, а в нашем случае он может быть очень малым - вплоть до 0,2%. Также, данному варианту требуется драйвер до трансформатора - триггер (а именно с него у нас снимается сигнал на транзистор) не потянет данное управление.
Поэтому, решено было взять трансформатор с 8-ю вторичными обмотками и выпрямителями. Однако от трансформатора, работающего на промышленной частоте мы отказались - то и громоздко и трудоемко - решено было собрать импульсный преобразователь.
В основе преобразователя лежит микросхема UC3845, специально предназначенная для этих целей - однотактных обратноходовых преобразователей с управлением по току. Питание схемы - от 12В.

Питание поступает на выводы 7 и 5 микросхемы. Выход компаратора подключен к резистивному делителю R2,R3. Цепь L3,VD3,C5,R5,VD2 играет роль неотключаемой нагрузки. R6,C7 - резистор и конденсатор осцилятора. Вывод 3 - вывод обратной связи по току - как только напряжение относительно вывода 5 на нем превысит 1В - рабочий цикл завершается. R9 регулирует чувствительность обратной связи - на деле - заполнение. Учтите, что у микросхем UC3844/45 максимальное заполнение - 50%. Для обратноходовых преобразователей больше и не нужно. С чувствительностью надо быть аккуратнее - получив 1В на 0,27 Ом шунте вы, тем самым, выделите на нем около 4Вт. Вывод 6 - управляющий выход. Полевой транзистор - первый попавшийся, что был под рукой - STP140NF55, с параметрами 55В 80А и сопротивлением открытого канала 6,5мОм(чего только у меня под рукой не валяется!). VD5 - защитный трансил на 33В. Также, в первичной обмотке установлена фиксирующая цепочка R1,C2,VD4, гасящая выбросы. Без этой цепочки у меня рвало защитный трансил. Все примененные диоды высокоскоростные, HER108.
Трансформатор намотан на двух, сложенных вместе, ферритовых кольцах марки МН2000, общими размерами 17х18х32мм. Первичная обмотка - 20витков проводом ПЭВ-0,45. 9 вторичных обмоток - по 30 витков проводом ПЭВ-0,23. Коэффициент трансформации 1:1,5 выбран специально,чтобы была возможность как можно сильнее уменьшить заполнение. Каждая обмотка относительно хорошо заизолирована друг от друга 2 слоями изоляционной ленты. Если вы соберетесь повторить данную конструкцию, пусть даже в модификации - возьмите нормальный Ш-образный сердечник...
Внимание! Обязательно проследите за началами обмоток и их подключением! Иначе получится смесь flyback и forward с очень плохими возможными последствиями - здесь рабочий цикл идет при закрытом ключе.
Для красоты, на печатной плате были разведены 9 выпрямителей, но 10 вторичная обмотка уже не влезала, и от нее пришлось отказаться.

Осциллограмма сигнала на вторичной обмотке через делитель и сигнал тока на 3 ноге. Под конец видно начало насыщения трансформатора - устранилось после замены конденсатора С7 на нужный.(слишком низкая частота - порядка 25кГц) Сейчас - частота около 38кГц.

Осциллограмма на той же вторичной обмотке (немного покрутил делитель) и сигнал на затворе транзистора. Это - максимально полученное мной заполнение при данных параметрах схемы. На выходе одного выпрямителей при этом на нагрузке 200 Ом напряжение около 24В. 2Вт резистор "нагрузка" при этом греется как утюг (как, собственно и шунт - ток переваливал за 10А). Для 12В на указанной нагрузке заполнение пришлось уменьшать до 10%. Потребление при этом составило 1,4А для 12В питания. В нагрузке при этом выделилось 8Вт - остальное просело на R1 и R5 - номиналы стояли чуть меньше, чем было подсчитано. После их замены, КПД данного БП вырос до 75%. Больше и не требуется.
Блок питания в работе. Все резисторы заменены, ничего не греется, нагрузка - 1,5А компьютерных вентиляторов. Некоторые обмотки трансформатора тихо дребезжат - не хватает заливки трансформатора, например, парафином.

Конструктивно, БП разведен на куске гетинакса 160х50мм. Трансформатор прикреплен винтом М3х27 шайбой из стеклопластика. Поскольку данный БП будет находиться в корпусе с активным охлаждением транзистор оснащен лишь небольшим радиатором. К радиатору транзистора капелькой моментального клея приклеен кусочек оргстекла с резьбой, который также прикручен к плате. Получилось довольно крепко. Питание подается как можно ближе к силовым проводникам.

Файлы:

Печатная плата в формате SL 5.0.

Вопросы, как обычно, складываем тут.


Как вам эта статья?

Заработало ли это устройство у вас?


Эти статьи вам тоже могут пригодиться:

Гальваническая развязка: назначение и методы

Добавлено 17 сентября 2018 в 13:04

Сохранить или поделиться

Введение

Гальваническая развязка (изоляция), обычно называемая просто развязкой, является способом, в соответствии с которым отдельные части электрической системы могут обладать различными потенциалами земли. Двумя наиболее распространенными причинами создания развязки является безопасность от сбоев в продуктах промышленного класса, и там, где требуется проводная связь между устройствами, каждое из которых имеет собственный источник питания.

Методы развязки по питанию

Трансформаторы

Наиболее распространенной формой развязки является использование трансформатора. При проектировании схемы стабилизации питания, где требуется развязка, изолирующая часть конструкции связана с необходимостью повышения/понижения уровня напряжения и не рассматривается как отдельная часть системы. В случае, если необходимо изолировать всю электрическую систему (например, для многого автомобильного тестирующего оборудования требуется, чтобы источники питания были изолированы от сети переменного тока), для создания необходимой изоляции последовательно с системой может быть установлен трансформатор 1:1.

Рисунок 1 – Ассортимент SMD трансформаторовРисунок 1 – Ассортимент SMD трансформаторов

Конденсаторы

Менее распространенным методом создания развязки является использование последовательно включенных конденсаторов. Из-за возможности протекания сигналов переменного тока через конденсаторы этот метод может быть эффективным способом изоляции частей электрической системы от сети переменного тока. Этот метод менее надежен, чем метод с трансформатором, поскольку в случае неисправности трансформатор разрывает цепь, а конденсатор закорачивает. Одна из целей создания гальванической развязки от сети переменного тока заключается в том, чтобы в случае неисправности пользователь находился в безопасности от работающего неограниченного источника тока.

Рисунок 2 – Пример использования конденсаторов для создания развязкиРисунок 2 – Пример использования конденсаторов для создания развязки

Методы изоляции сигналов

Оптоизоляторы

Когда требуется, чтобы между двумя частями схемы с разными потенциалами земли проходил сигнал, популярным решением является оптоизолятор (оптопара). Оптоизолятор представляет собой фототранзистор, который открывается («включается»), когда внутренний светодиод находится под напряжением. Свет, излучаемый внутренним светодиодом, является путем прохождения сигнала, и, таким образом, изоляция между потенциалами земли не нарушается.

Рисунок 3 – Схема типового оптоизолятораРисунок 3 – Схема типового оптоизолятора

Датчик Холла

Другим методом передачи информации между электрическими системами с раздельными потенциалами земли является использование датчика, основанного на эффекте Холла. Датчик Холла детектирует индукцию неинвазивно и не требует прямого контакта с исследуемым сигналом и не нарушает изолирующий барьер. Наиболее распространенное использование проходящей индукционной информации через цепи с различными потенциалами земли – это датчики тока.

Рисунок 4 – Датчик тока, используемый для измерения тока через проводникРисунок 4 – Датчик тока, используемый для измерения тока через проводник

Заключение

Гальваническая развязка (изоляция) – это разделение электрических систем/подсистем, в которых может протекать не постоянный ток, и которые могут иметь различные потенциалы земли. Развязку можно разделить на основные категории: по питанию и по сигналу. Существует несколько способов достижения развязки, и в зависимости от требований к проекту некоторые методы могут быть предпочтительнее других.

Практический пример

Рисунок 5 – Схема проекта PoE (Power over Ethernet, питание через Ethernet) на основе контроллера TPS23753PWРисунок 5 – Схема проекта PoE (Power over Ethernet, питание через Ethernet) на основе контроллера TPS23753PW

На схеме выше несколько трансформаторов и оптоизолятор используются для создания импульсного источника питаний, который используется в устройствах Ethernet PD (Powered Device, питаемое устройство). Разъем J2 имеет внутренние магниты, которые изолируют всю систему от источника PoE. T1 и U2 изолируют источник питания (слева от красной линии) от стабилизированного выхода 3,3 В (справа от красной линии).

Оригинал статьи:

Теги

Гальваническая развязкаДатчик ХоллаЕмкостная связьКонденсаторОптопараОптронРазвязкаТрансформаторТрансформаторная развязкаТрансформаторная связь

Сохранить или поделиться

На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.

В случае комментирования в качестве гостя (без регистрации на disqus.com) для публикации комментария требуется время на премодерацию.


Разведение питания | Электроника для всех

При конструировании электронных устройств есть ряд особенностей которые явно не видны на схеме и не обнаруживаются в симуляторах, но оказывают активнейшее влияние на работу схемы, провоцирующее плавающие глюки и неполадки.

Хорошим источником приколов может служить земляная шина, будучи проложена без учета ряда особенностей.

Вообще, грамотная разводка это та еще черная магия. Толковых подробных мануалов по сему предмету я не встречал, а все что знаю — продукт собственных умозаключений и обрывки толковых мыслей с разных форумов. В общем, если есть что добавить — добавляйте.

Гладко было на бумаге, но забыли про овраги
Представим себе схемку, обычная такая схема. Питальник, хороший мощный. Цифровая управляющая логика — микроконтроллер, Большой П… в смысле потребитель — мощная силовая нагрузка. Жрущая, например, 10А. И датчик, который измеряет некоторые параметры Большого П и скармливает контроллеру. Как то так:

Будет работать? По идее должно. Но для того, чтобы оно работало надо это дело воплотить в печатной плате и изготовить. Разводка платы в первом приближении выглядеть может так:

В самом деле, чего мудрить то? Все просто и очевидно. На бумаге, ага. Прикол в том, что дорожки далеко не идеальные и у них тоже есть сопротивление. Небольшое, десятые доли Ома, но есть. Перерисуем первоначальную схему исходя из этого уточнения:

А теперь врубаем наш БОЛЬШОЙ ПЭ. И он вкачивает в нашу, нифига не идеальную, земляную дорогу свои 10А , щедро загребаемые им с 40 вольтового выхода. Мощно подтягивая ближний конец линии к своему питанию.

И на каждом участочке нашей земляной линии высаживается какое-то напряжение. Исходя из закона Ома — это будет I*R, при сопротивлении в 0.1 ом и токе в 10А мы имеем 1 вольт. Это на каждом кусочке! Т.е. чем дальше от нашей точки нулевого потенциала (минус питания, куда приходят все токи) тем больше нарастание падения.

И вот смотрим ситуацию — на нашей земляной линии образовались падения напряжения и чем дальше от БП, тем они больше суммируются, приближаясь к питанию силового элемента. Да так, что наш контроллер вообще обесточился — на его земляном входе оказалось 5 вольт, что дало разность потенциалов между его Vcc, запиатанной от +5 вольт, в 0. А будь ток не 10А, а в два раза больше, то там бы было 10 вольт (-5V разницы) и эффект был бы равносилен переполюсовке, что моментом отправит наш контроллер в ад.

При меньшем токе, мы бы получили снижение питания контроллера со всеми вытекающими последствиями, как то сбои, рассогласование уровней с датчиком, которого накрыло меньше, т.к. он был ближе к земле. Но тоже приятного мало.

Что делать?
Решение очевидное — в таких случаях надо просто разнести контура силовой и управляющей части, выделить под мощные токи отдельную дорогу, дабы не делать падение напряжения.

Усе, теперь эти 10А сразу попадут на БП, не создавая нам перекосов в управляющих цепях.

Мины рвутся по углам
С Большим ПЭ ситуация ясна и прозрачна, однако бывают и менее явные случаи. Что у нас может дать бесконечно большой ток на бесконечно малом промежутке времени? Правильно — заряжающийся кондер.
А поможет ему в этом заряженный кондер на выходе блока питания, одолжив ему энергии для диверсии — он, в отличии от Блока Питания, имеет предельно низкое внутреннее сопротивление и способен такой ток выдать.

Конечно длительность такого процесса будет микроскопической, в зависимости от размеров заряжаемой емкости. Но так и контроллер у нас далеко не тормоз — ему этого дрыга хватит вполне чтобы ребутнуться или зависнуть.

А если возникнет импульсный бросок напряжения между выводами кварца, то контроллер может посчитать это за ложный тактовый импульс. И если он будет короче предельно допустимого тактового импульса, то контроллер запросто может повиснуть или заглючить — какая либо из цепей не успеет правильно обработать и привет. И фиг ты такое отловишь, а без осциллографа просто труба.

В общем, критические земляные цепи, вроде кварцев, должны быть разведены тупиковыми ветвями, не допускающими сквозных токов.

Где прячутся конденсаторы
А они повсюду, где то больше, где то меньше, но емкости присутствуют повсеместно, начиная от емкостей между дорожками и кончая затворами полевых транзисторов. Переключение этих транзисторов это банальный перезаряд этих емкостей.

А учитывая, что все современные микроконтроллеры построены на сотнях тысяч полевых транзисторах и у каждого из которых есть своя затворная емкость. Она может и незначительная, но их там дофига, и тикают они синхронно.

Поэтому-то на шины питания микросхем рекомендуют ставить керамические кондеры, причем максимально близко к микрухам. Они служат для подпитки энергией при перезарядке множества паразитных емкостей транзисторов внутри контроллеров, чтобы эти броски тока не лезли наружу, не загаживали питание.
А шины питания и, особенно, земли стараются делать максимально толстыми — для снижения сопротивления, и стараются разводить их звездочкой. Дабы не допускать замкнутых контуров, чтобы токи разных потребителей, особенно мощных или с повышенным количеством перезаряжающихся емкостей, не шныряли по чужим землям.

Плюс не стоит выпускать из виду и такой момент как электромагнитные наводки. Мощная силовая дорога, идущая по плате круголями, может послужить зверской катушкой индуктивности и навести кучу мусора на информационные цепи. Пример я уже приводил, причем там была слаботочка.

В аналоговых цепях, особенно микровольтных и слаботочных, это все еще жестче. Т.к. там малейший цифровой мусор в шине питания/земли может быть соразмерен полезному сигналу, сводя на нет все попытки его обработать. Поэтому там цепи прячут под экранирующие колпаки — защита от электромагнитных наводок и размещают подальше от цифровых — защита от паразитных емкостей между цифровыми и аналоговыми сигналами.

Конденсаторы

- learn.sparkfun.com

Добавлено в избранное Любимый 70

Примеры применения

Существует множество приложений для этого изящного маленького (на самом деле, обычно они довольно большие) пассивного компонента. Чтобы дать вам представление об их широком спектре использования, вот несколько примеров:

Разделительные (байпасные) конденсаторы

Многие конденсаторы, которые вы видите в схемах, особенно те, которые имеют интегральную схему, развязаны.Работа развязывающего конденсатора заключается в подавлении высокочастотного шума в сигналах источника питания. Они снимают с источника напряжения крошечные колебания напряжения, которые в противном случае могут нанести вред чувствительным микросхемам.

В каком-то смысле развязывающие конденсаторы действуют как очень маленький локальный источник питания для ИС (почти как источник бесперебойного питания для компьютеров). Если в источнике питания очень быстро падает напряжение (что на самом деле довольно распространено, особенно когда цепь, в которой он работает, постоянно переключает требования к нагрузке), разделительный конденсатор может кратковременно подавать питание с правильным напряжением.Вот почему эти конденсаторы также называются шунтирующими конденсаторами ; они могут временно действовать как источник питания в обход источника питания.

Разделительные конденсаторы подключаются между источником питания (5 В, 3,3 В и т. Д.) И землей. Нередко использование двух или более конденсаторов разного номинала, даже разных типов, для обхода источника питания, потому что некоторые номиналы конденсаторов будут лучше, чем другие, при фильтрации определенных частот шума.

На этой схеме три развязывающих конденсатора используются для уменьшения шума в источнике напряжения акселерометра.Два керамических 0,1 мкФ и один танталовый электролитический 10 мкФ разделенные функции развязки.

Хотя кажется, что это может привести к короткому замыканию между питанием и землей, только высокочастотные сигналы могут проходить через конденсатор на землю. Сигнал постоянного тока поступит на микросхему, как и нужно. Другая причина, по которой они называются шунтирующими конденсаторами, заключается в том, что высокие частоты (в диапазоне кГц-МГц) обходят ИС, вместо этого проходят через конденсатор, чтобы добраться до земли.

При физическом размещении развязывающих конденсаторов их всегда следует располагать как можно ближе к ИС.Чем дальше они находятся, тем менее эффективны.

Вот физическая компоновка схемы из схемы выше. Крошечная черная ИС окружена двумя конденсаторами по 0,1 мкФ (коричневые крышки) и одним электролитическим танталовым конденсатором 10 мкФ (высокая прямоугольная крышка черного / серого цвета).

Чтобы следовать хорошей инженерной практике, всегда добавляйте хотя бы один развязывающий конденсатор к каждой ИС. Обычно хорошим выбором является 0,1 мкФ или даже дополнительные конденсаторы на 1 мкФ или 10 мкФ. Это дешевое дополнение, и они помогают убедиться, что микросхема не подвергается сильным провалам или скачкам напряжения.

Фильтр источника питания

Диодные выпрямители

могут использоваться для преобразования переменного напряжения, выходящего из вашей стены, в постоянное напряжение, необходимое для большинства электронных устройств. Но сами по себе диоды не могут превратить сигнал переменного тока в чистый сигнал постоянного тока, им нужна помощь конденсаторов! При добавлении параллельного конденсатора к мостовому выпрямителю выпрямленный сигнал выглядит следующим образом:

Rectification pre-Cap

Может быть преобразован в сигнал постоянного тока близкого к уровню, например:

Конденсаторы - упрямые компоненты, они всегда будут пытаться противостоять резким перепадам напряжения.Конденсатор фильтра будет заряжаться по мере увеличения выпрямленного напряжения. Когда выпрямленное напряжение, поступающее в конденсатор, начинает быстро снижаться, конденсатор получит доступ к своему банку накопленной энергии, и он будет очень медленно разряжаться, передавая энергию нагрузке. Конденсатор не должен полностью разрядиться, прежде чем входной выпрямленный сигнал снова начнет увеличиваться, заряжая конденсатор. Этот танец разыгрывается много раз в секунду, многократно, пока используется источник питания.

Power supply circuit

Цепь питания переменного тока в постоянный.Крышка фильтра (C1) имеет решающее значение для сглаживания сигнала постоянного тока, посылаемого в цепь нагрузки.

Если вы разорвите какой-либо блок питания переменного тока в постоянный, вы обязательно найдете хотя бы один довольно большой конденсатор. Ниже показаны внутренности настенного адаптера постоянного тока на 9 В. Заметили там конденсаторы?

Конденсаторов может быть больше, чем вы думаете! Имеется четыре электролитических крышки, похожие на консервные банки, в диапазоне от 47 мкФ до 1000 мкФ. Большой желтый прямоугольник на переднем плане - это высоковольтный 0.Крышка из полипропиленовой пленки 1 мкФ. И синяя дискообразная крышка, и маленькая зеленая посередине - керамические.

Хранение и поставка энергии

Кажется очевидным, что если конденсатор накапливает энергию, одно из множества его применений - подача этой энергии в цепь, как аккумулятор. Проблема в том, что конденсаторы имеют гораздо более низкую плотность энергии , чем батареи; они просто не могут вместить столько энергии, сколько химическая батарея такого же размера (но этот разрыв сокращается!).

Положительным моментом конденсаторов является то, что они обычно служат дольше, чем батареи, что делает их лучшим выбором с экологической точки зрения. Они также способны выдавать энергию намного быстрее, чем аккумулятор, что делает их подходящими для приложений, которым требуется короткий, но большой всплеск мощности. Вспышка камеры может получать питание от конденсатора (который, в свою очередь, вероятно, заряжался от аккумулятора).

Батарея или конденсатор?
Аккумулятор Конденсатор
Емкость
Плотность энергии
Скорость заряда / разряда
Срок службы

Фильтрация сигналов

Конденсаторы

обладают уникальной реакцией на сигналы различной частоты.Они могут блокировать низкочастотные компоненты или компоненты сигнала постоянного тока, позволяя при этом проходить более высоким частотам. Они похожи на вышибалу в очень эксклюзивном клубе только для высоких частот.

Фильтрация сигналов может быть полезна во всех видах приложений обработки сигналов. Радиоприемники могут использовать конденсатор (среди других компонентов) для отстройки от нежелательных частот.

Другой пример фильтрации сигнала конденсатора - это пассивные схемы кроссовера внутри громкоговорителей, которые разделяют один аудиосигнал на множество.Последовательный конденсатор блокирует низкие частоты, поэтому оставшиеся высокочастотные части сигнала могут идти на твитер динамика. При прохождении низких частот в цепи сабвуфера высокие частоты могут быть шунтированы на землю через параллельный конденсатор.

Очень простой пример схемы кроссовера аудио. Конденсатор блокирует низкие частоты, а катушка индуктивности блокирует высокие частоты. Каждый из них может использоваться для доставки нужного сигнала настроенным аудиодрайверам.

Понижение рейтинга

При работе с конденсаторами важно проектировать свои схемы с конденсаторами, которые имеют гораздо более высокий допуск, чем потенциально самый высокий скачок напряжения в вашей системе.

Вот отличное видео от инженера SparkFun Шона о том, что происходит с различными типами конденсаторов, когда вы не можете снизить номинальные параметры конденсаторов и превысить их максимальное напряжение. Вы можете прочитать больше о его экспериментах здесь.



← Предыдущая страница
Конденсаторы последовательно / параллельно .

Силовая развязка

обеспечивает локальный обратный путь для токов смещения, протекающих в этих паразитных емкостях, чтобы они не вызывали синфазные кондуктивные и излучаемые излучения и проблемы с помехоустойчивостью.

Поскольку нам обычно нужна изоляция только для низких частот (обычно только 50 Гц), мы можем соединить гальванически изолированные плоскости с основной эталонной плоскостью с помощью ряда конденсаторов малой емкости (расположенных по периметру зазора), чтобы добиться эффекта единая опорная плоскость для высоких частот и обеспечивает низкоиндуктивные локальные обратные пути для паразитных токов смещения.

Конечно, может потребоваться большая осторожность с одобрениями компонентов и токами утечки, если речь идет о безопасности.

5.3.7 Что делать, если многослойные печатные платы считаются слишком дорогими?

По объему четырехслойные печатные платы теперь стоят всего на 20-50% дороже, чем двухслойные. В ретроспективе использование самолетов обычно оказывается наиболее экономически эффективным методом ЭМС, особенно если учесть общее время финансовой безубыточности и рентабельность продукта.

Подходящий метод для двусторонних печатных плат с низкой плотностью - размещение всех дорожек с одной стороны и сплошной плоскости 0 В с другой. Для цифровых продуктов отсутствие платы питания может потребовать наличия нескольких ферритовых бусин в шинах питания (см. Ниже), поэтому это может оказаться не самым рентабельным.

Там, где дорожки должны использовать обе стороны двухслойной печатной платы, некоторые улучшения ЭМС могут быть достигнуты путем "привязки" дорожек 0 В. Это можно сделать, используя "максимальную медь" или "заливку области" на дорожках 0 В обоих слоев печатной платы, которые должны проходить перпендикулярно друг другу, "сшивая" полученные горизонтальные и вертикальные области и линии 0 В вместе со сквозными отверстиями везде, где они пересекаются, образуя сетку по всей площади печатной платы.Меньшие секции сетки необходимы вокруг более чувствительных или агрессивных компонентов, что часто трудно достичь для микропроцессоров с выводами, но проще для типов SMD. Следует выделить время для перемещения компонентов и дорожек для достижения наилучшей структуры сетки, но любая сетка всегда будет намного менее эффективной, чем правильная сплошная плоскость.

Односторонние печатные платы чрезвычайно сложно обеспечить ЭМС без экранирования корпуса и фильтрации, за исключением цепей, которые, естественно, имеют очень низкие выбросы (низкие dV / dt и dI / dt), а также имеют очень высокую устойчивость (например,грамм. высокие уровни сигнала и низкие импедансы).

Целью разделения мощности является поддержание импеданса источника питания для каждой ИС на уровне 1 Ом или менее во всем интересующем частотном диапазоне (от 150 кГц до 1 ГГц для ЭМС). Некоторым устройствам для правильной работы может потребоваться 0,1 Ом или меньше в некоторых диапазонах частот. Провода и дорожки печатной платы имеют слишком большую индуктивность, чтобы обеспечить такие низкие импедансы, что требует локальной емкости подходящего качества и большого внимания к деталям в компоновке печатной платы для минимизации индуктивностей.

Другая цель - уменьшить размер токовых петель в распределительной сети, чтобы уменьшить выбросы из этого источника. К счастью, это достигается с помощью тех же методов, которые снижают сопротивление источника питания.

5.4.1 Методы развязки питания

Большой разделительный конденсатор (обычно 100 мкФ, может быть больше для энергоемких цепей) должен быть установлен там, где источники питания входят или выходят из печатной платы, а некоторые меньшие (например, 10 мФ) должны быть «посыпаны» вокруг печатной платы на «мкФ». на единицу площади », а также расположение рядом с потребителями высокой мощности, такими как микропроцессоры, память и другие мощные цифровые ИС.Используя электролитическую технологию, эти «объемные» конденсаторы могут обеспечить низкий импеданс до примерно 3 МГц.

Недавно несколько производителей добавили в ассортимент своей продукции для поверхностного монтажа многослойные керамические конденсаторы большой емкости. Они меньше или дешевле, или имеют более низкое ESR и / или лучшие высокочастотные характеристики, чем электролиты (например, твердый тантал), часто сразу несколько из этих характеристик. Они также не страдают от проблем с обратной полярностью или dV / dt, поэтому должны улучшить выход и надежность).

.

Device-Specific Power Delivery Network (PDN) Tool 2.0 User Guide

В этом разделе вы можете найти список следующих вычисляемых ключей параметры всех силовых групп:

  • Напряжение
  • Общий ток
  • Динамическое изменение тока
  • Шумостойкость
  • Тактовая частота ядра
  • Текущий период разгона
  • Z ЦЕЛЬ

Эти параметры позволяют настроить способ сбора данных или проанализированы.

Параметр динамического изменения тока раскрывающееся меню со следующими параметрами:

Процент динамического изменения тока требует большого усердия. EPE и мощность оба анализатора предоставляют значения для текущего использования, которые включают:

  • максимальный статический ток (не меняется)
  • максимальное потребление тока активными элементами

Этот расчет дает как очень высокий общий ток, так и довольно высокий динамическое использование тока.Вычисления значения для вставки в поле динамического изменения тока жестяная банка дают значение намного ниже, чем автоматически подставляемое значение, которое представляет собой безопасную инженерную ценность.

Параметр шумоподавления имеет раскрывающееся меню со следующими параметрами:

Некоторые варианты инструмента PDN позволяют добавлять данные для тактовой частоты ядра и нарастания тока. Параметры периода с помощью раскрывающихся меню. Эти значения говорят инструменту как рассчитать текущий период нарастания переходных процессов, иногда уменьшая переходные изменения тока.Значения относятся к тому, насколько быстро часы для секции. работает и длина конвейера данных. Учитывая временное изменение входа data, в конвейере есть тактовые циклы, чтобы алгоритм выдал результаты. Если изменение входных данных активирует широкий, но короткий конвейер, переходный процесс будет резким. Это приводит к значительному изменению тока для количества используемых логических элементов. Если трубопровод узкий и длинный, общее изменение текущего использования пропорционально меньше.

Вы можете установить для параметра Core Clock Frequency значение Высокий, средний, Низкий или Пользовательский набор ввода частоты. Опция Custom позволяет вам ввести конкретный входная частота.

Параметр текущего периода разгона позволяет указать количество тактовых циклов, потребляемых конвейером. Ты можешь выберите параметр «Длинный», «Средний», «Короткий» или «Пользовательский».

Тактовая частота ядра и нарастание тока Параметры периода сильно зависят от настройки использования ядра в Intel ® Quartus ® Prime.Таким образом, параметры в инструменте PDN можно использовать как ссылка.

.Выбор конденсатора

для приложений связи и развязки - Блог о пассивных компонентах

источник: блог Capacitor Faks

Саймон Ндириту из General Dielectrics объясняет некоторые основные инструкции по выбору конденсаторов для приложений связи и развязки.

Конденсаторы являются основными компонентами как аналоговых, так и цифровых электронных схем. Эти пассивные компоненты играют важную роль в влиянии на рабочее поведение цепей. Характеристики конденсатора различаются в основном в зависимости от используемого диэлектрического материала.Материал диэлектрика определяет значение емкости, энергоэффективность и размер конденсатора. Конденсаторы фиксированной емкости можно разделить на две категории: полярные и неполярные. К неполярным конденсаторам относятся керамические, пленочные и бумажные конденсаторы. Алюминиевые электролитические конденсаторы и танталовые конденсаторы являются полярными компонентами.

В схемах конденсаторы используются для широкого спектра применений, включая хранение электрических зарядов, блокировку компонентов постоянного тока, обход компонентов переменного тока, фильтрацию нежелательных сигналов и т. Д.Применение конденсатора в первую очередь зависит от его характеристик. Ключевые свойства, которые следует учитывать при выборе конденсатора для конкретного применения, включают значение емкости, номинальное напряжение, частотные характеристики, стоимость и физический размер. Другие свойства конденсатора, которые могут влиять на характеристики электронной схемы, включают температурные характеристики, свойства самовосстановления, старение и воспламеняемость.

Конденсаторы связи

Конденсаторы связи используются в электронных схемах для передачи полезного сигнала переменного тока и блокировки нежелательных компонентов постоянного тока.Эти нежелательные сигналы постоянного тока исходят от электронных устройств или предшествующих каскадов электронной схемы. В аудиосистемах компоненты постоянного тока влияют на качество полезного сигнала, внося шум. Кроме того, сигналы постоянного тока влияют на характеристики усилителей мощности и увеличивают искажения. В схемах конденсатор связи включен последовательно с трактом прохождения сигнала. Конденсаторы связи используются как в аналоговых, так и в цифровых электронных схемах. Они находят множество применений в звуковых и радиочастотных системах.

Реактивная природа конденсатора позволяет ему по-разному реагировать на разные частоты. В приложениях связи конденсатор блокирует низкочастотные сигналы постоянного тока и позволяет проходить высокочастотным сигналам переменного тока. Для низкочастотных компонентов, таких как сигналы постоянного тока, конденсатор имеет высокий импеданс, тем самым блокируя их. С другой стороны, конденсатор имеет низкое сопротивление по отношению к высокочастотным компонентам. Это позволяет пропускать высокочастотные сигналы, например, компоненты переменного тока.

В аудиосистемах источники постоянного тока используются для питания аудиосхем.Однако, поскольку аудиосигнал обычно является сигналом переменного тока, составляющая постоянного тока на выходе нежелательна. Чтобы предотвратить появление сигнала постоянного тока на выходном устройстве, конденсатор связи добавлен последовательно с нагрузкой.

Конденсаторы связи - важные компоненты в схемах усилителя. Они используются для предотвращения помех напряжения смещения транзистора сигналами переменного тока. В большинстве схем усилителя это достигается за счет подачи сигнала на вывод базы транзистора через конденсатор связи.Когда конденсатор с правильным значением емкости подключается последовательно, полезный сигнал может проходить, в то время как составляющая постоянного тока блокируется.

Наличие компонентов постоянного тока на линии передачи может значительно повлиять на характеристики цифровой цепи. В системах связи конденсаторы связи используются для блокировки нежелательных компонентов постоянного тока. Блокировка компонента постоянного тока помогает минимизировать потери энергии и предотвратить накопление заряда в цифровых схемах.

Типы конденсаторов для приложений связи

При выборе конденсатора для приложений связи / блокировки постоянного тока ключевые параметры, которые следует учитывать, включают импеданс, эквивалентное последовательное сопротивление и последовательную резонансную частоту.Значение емкости в первую очередь зависит от частотного диапазона приложения и импеданса нагрузки / источника. Типы конденсаторов, которые обычно используются для сопряжения, включают пленочные, керамические, танталовые, алюминиевые электролитические и алюминийорганические / полимерные электролитические конденсаторы.

Танталовые конденсаторы обеспечивают высокую стабильность при высоких значениях емкости, и они доступны в различных вариантах. По сравнению с керамикой эти конденсаторы имеют более высокое ESR и более дорогие.В приложениях связи танталовые конденсаторы более популярны, чем керамические.

Алюминиевые электролитические конденсаторы дешевле танталовых. Они обладают стабильной емкостью и имеют характеристики ESR, аналогичные танталовым конденсаторам. Однако эти конденсаторы имеют относительно большой размер и не рекомендуются для схем с ограниченным пространством на печатной плате. Конденсаторы электролитические алюминиевые марки wi

.

Отправить ответ

avatar
  Подписаться  
Уведомление о